摘 要:某产线变速箱齿轮发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜和能谱分析、金 相检验以及硬度测试等方法,分析了齿轮断裂的原因。结果表明:齿轮化学成分不符合产品设计标 准 GB/T699—2015的要求,且断裂轮齿组织为粗大的魏氏体,并存在大量以氧化铝为主的非金属 夹杂物,导致齿轮的韧性和耐磨性大幅降低。在服役过程中,齿轮在传递动力时长期受弯曲疲劳应 力以及异常组织和夹杂物的影响,最终发生断裂。
关键词:齿轮;断裂;魏氏体;非金属夹杂物
中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)07-0062-03
在机械设备运行过程中,齿轮往往起着重要的 作用,齿轮一旦失效则会造成重大事故。齿轮失效 最常见的一种形式是轮齿断裂,是机械工程领域最 为严重的事故[1],同时也是变速箱零部件中发生失 效概率较高的类型之一[2]。某齿轮作为产线变速箱 的核心零件之一,在运行过程中发生故障,经停机拆 解后,发现该齿轮的轮齿顶部严重磨损并出现断裂, 同时轮齿顶部呈现出疑似缺陷剥落现象,为进一步 查找、分析其断裂故障原因,笔者对断裂齿轮进行了 一系列理化检验。齿轮设计材料为45Mn钢,其原 材料执行标准为 GB/T699—2015 《优质碳素结构 钢》,齿轮成品经过调质、渗碳及淬火处理。
1 理化检验
1.1 宏观观察
断裂齿轮的宏观形貌如图1所示,由图1可知: 轮齿顶部呈现肉眼可见的疑似缺陷剥落现象,同时 在断裂位置未见明显塑性变形区域,局部区域颜色 较深。
1.2 化学成分分析
从断裂齿轮上取样并进行化学成分分析,结果 如表1所示。由表1可知:齿轮中碳、锰元素含量较 低,不符合 GB/T699—2015 《优质碳素结构钢》对 45Mn钢的标准要求,镍元素虽然满足 GB/T699— 2015的要求,但实测值偏低。
1.3 扫描电镜及能谱分析
在齿轮的断裂处取样,并对其截面进行磨抛处 理,然后置于扫描电镜(SEM)下观察,同时对断裂 处的异常部位进行能谱(EDS)分析。齿轮断裂截面 不同区域 SEM 形貌如图2所示,发现存在大量非 金属夹杂物。对非金属夹杂物进行 SEM 观察,其 形貌如图3所示。用能谱仪对齿轮断裂截面进行分 析,发现夹杂部位存在较高含量的氧和铝元素,铝元 素质量分数高达32.79%,说明在齿根处存在大量 以氧化铝为主的非金属夹杂物,同时伴有硫化锰夹 杂物。结合夹杂部位的元素分布面扫描结果分析, 发现存在氧、铝、硫、锰元素,进一步确认了氧化铝及 硫化锰非金属夹杂物的存在(见图4)。
1.4 金相检验
在齿轮断 裂 截 面 处 取 样,试 样 经 4% (体 积 分 数)硝酸酒精溶液侵蚀后,在光学显微镜下进行显微 组织观察,结果如图5所示。从图5可以看出:轮齿 处存在大量粗大的魏氏体。
1.5 硬度测试
在齿轮断裂截面处取样,试样经磨抛后采用全 洛氏硬度计进行洛氏硬度试验,依据 GB/T230.1— 2018《金属材料 洛氏硬度试验 第 1 部分:试验方 法》进行试验,试验力为1.471kN,试验结果如表2所示。从表2可以看出:齿轮的硬度不满足该齿轮 的产品设计要求,硬度测试结果与金相检验中魏氏 体的出现是对应的。
2 综合分析
理化检验分析结果表明:齿轮轮齿的顶部位置 呈现出肉眼可见的疑似缺陷剥落现象,同时在断裂 处未见明显塑性变形区域;齿轮的化学成分不满足 GB/T699—2015的标准要求,而且部分元素偏离 较大;断裂的轮齿处存在大量粗大的魏氏体。魏氏 体是在过热区内,粗大的奥氏体在较快冷却速率下 形成的 一 种 特 殊 的 过 热 组 织,由 于 其 晶 粒 粗 大, 同 时大量铁素体针片形成脆弱面,因此降低了材料的韧性。一般来说,调质过程中温度较高,会导致魏 氏体的形成[3],但该断裂齿轮未见明显调质处理迹 象。同时,齿轮中还存在大量的非金属夹杂物,其硬 度也不符合设计要求。受上述诸多因素的共同影 响,齿轮的轮齿在弯曲疲劳应力作用下,随着齿根部 位的应力集中,齿轮的疲劳寿命降低[4],最终发生断 裂失效。
3 结论及建议
(1)该齿轮长时间受弯曲疲劳应力以及材料中 存在异常组织和非金属夹杂物,最终导致了齿轮断 裂失效。
(2)选择齿轮时要重点关注其弯曲疲劳强度、 耐磨性和接触疲劳强度,同时还要求轮齿心部具有 足够的硬度和韧性等。
参考文献:
[1] 冯紫萱,冯文博,李轲.减速机齿轮断裂原因分析[J]. 山西冶金,2020,43(3):34-35.
[2] 陈郧,皇百红,杨亮波,等.变速箱中间轴常啮合齿轮 断裂失 效 分 析 [J].金 属 材 料 与 冶 金 工 程,2021,49 (6):17-21.
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[4] 王华.分动 箱 齿 轮 断 裂 原 因 [J].理 化 检 验 (物 理 分 册),2021,57(2):63-66.